異質結完整分

§2.3半導體異質結半導體異質結：由兩種性質（帶隙寬度）不同的半導體材料，通過一定的生長方法所形成的結。一、突變異質結（pN）1、pN結的形成與能帶圖窄帶隙的p型半導體與寬帶隙的N型半導體生長一起時，界面處出現了載流子的濃度差，于是N中的電子向p中擴散，相反，p中的空穴也會向N中擴散，在界面形成空間電荷區(qū)。內建電場E擴散遷移§2.3半導體異質結1960年，Anderson用能帶論分析了pN結的形成與有關問題，直觀而深刻，并得到一些十分有用的結論，稱為Anderson模型。如Fig2.01（a）平衡前的能帶圖；（b）是平衡時的能帶圖。在作圖時，先以真空能級為參考能級畫出各自的能帶圖；再保持費米能級低的一側不動，使費米能級高的一側下移與其相平，即真空能級及能帶向下彎曲，而且有其他量，如功函數φ，親和勢χ

，激活能δ保持不變?！?.3半導體異質結Ec2EF2Ev2p-GaAsN-AlxGa1-xAsEo

Χ1φ1Ec1EF1Ev1ΔEcEg1△Evδ2Eg2δ1χ2φ2Ec2EFEv2Χ1φ1eVDeVDNeVDNeVDPeVDP△Ev△EcEc1EFEv1-xP

0xN說明：真空能級Eo為參考能級；Eg表示禁帶寬度；φ表示功函數，定義為將一個電子從費米能級EF處轉移到真空能級Eo所需的能量；χ表示親和勢，定義為將一個電子從導帶底Ec移到真空能級Eo所需的能量；δ表示激活能，定義為EF與導帶底Ec或EF與價帶頂Ev之間的能量差。p-GaAsN-AlxGa1-xAs（a）平衡前的能帶圖（b）平衡時的能帶圖§2.3半導體異質結2、內建電勢及耗盡層寬度從上面的分析可以看出，能帶彎曲的程度取決于內建電勢的大小，即對于p型半導體有對于N型半導體有于是得到即內建電勢取決于兩種半導體載流子濃度的比值。具體到pN結，取決于N型半導體中的多子（電子）與p型中的少子（電子）濃度比。§2.3半導體異質結根據《半導體物理》的結論，p區(qū)和N區(qū)各自的內建電勢分別是若近似認為，正負電荷在耗盡層是均勻分布的，則電中性條件為于是得該式表明，內建電勢主要降落在雜質濃度較低的一側。結合以上各式，得到內建電勢分別為§2.3半導體異質結耗盡層寬度分別是由上面的分析，還可以得到結電容結電容是一個重要的參數，它直接影響到器件的高頻特性。nnoxx

=

0pnopponpolog(n),

log(p)-eNa

eNd

MxE

(x)B-h+p

n

M

As+e杴WpWnNeutral

n-regionNeutral

p-regionSpace

charge

regionVoV(x)xPE(x)Electron

PE(x)Metallurgical

Junction(a)(b)(c)(e)(f)x杴WpWn(d)0eVox(g)杴eVoHole

PE(x)

杴Eo

Eo

Mrnet

MWn杴WpniPropertiesofthepn

junction.§2.3半導體異質結§2.3半導體異質結當給異質結加上正向偏置電壓（p側為正）VA時，pN結就處于非平衡狀態(tài)，即結兩側的準費米能級發(fā)生分離，顯然有同時，能帶的彎曲程度變緩。這時，可將前面的公式中的VD、VDp、VDN分別用（VD-V）、（VDP-V1）、（VDN-V2）來代替，其中VA=V1+V2，V1、V2分別是p側和N側勢壘區(qū)的電壓降。于是得到如下pN結在正向偏置下的一系列公式：§2.3半導體異質結可見，加正向電壓后，空間電荷區(qū)厚度變窄，結勢壘變小，有利于向p區(qū)注入電子。Ec1Ev1EFvEc2EFcEoe(VD-VA）e(VDN-V2）ΔEvΔEceVA-xp

0xNe(VDp+V1)EoEc1EFvEv1e(VD+VA）Ec2EFcEv2e(VDN+V2)ΔEvΔEceVAxp0xN

pN結正向偏置pN結反向偏置§2.3半導體異質結nN結能帶圖

pP能帶圖EoEc1Ev1eVDΔEcΔEv-xn0xNEc2EFEv2eVD2eVD1EoEc1Ev1Ec2Ev2EFeVD2eVD1ΔEcΔEv-xpxPeVD§2.3半導體異質結3、載流子的輸運Anderson模型：零偏壓時，由N向p越過勢壘VDN的電子流應與從p到N越過勢壘ΔEc-VDp的電子流相等，即加正向電壓后，兩個方向的電子流不再相等，凈電流密度為§2.3半導體異質結式中已經用到零偏置的結果。若認為N型半導體的電子濃度與施主濃度相等；再考慮到界面對載流子的反射，引入透射系數X，它表示N區(qū)耗盡層內的電子越過界面到達p區(qū)電荷積累層的比率。于是有在正向偏置時，方括號中第一項起主要作用，反向偏置時，第二項起主要作用。所以，在正向偏置下，有§2.3半導體異質結Anderson模型定性地表達了pN結的伏安特性，但在定量上與實驗結果相差較大，此時需用其他模型來分析。§2.3半導體異質結三、異質結的主要性質1、高注入比注入比是指pN結正向偏置時，N區(qū)向p區(qū)注入的電子流Jn1與p區(qū)向N區(qū)注入的空穴流Jp2之比，由前面的分析，對異質結可得到可見，注入比與異質結兩側材料的帶隙差成指數關系。例如p-GaAs/N-Al0.3Ga0.7As異質結，注入比約為7.4Χ105。這是半導體激光器提高注入效率，降低閾值電流密度，提高量子效率的重要原因之一?！?.3半導體異質結2、超注入現象在給pN結加正向偏置電壓后，N區(qū)到p區(qū)的電子勢壘是VDN-V2，當偏壓足夠大時，勢壘會足夠小，